Förgrymmat höghållfasta sampolymer Aramid fibrer för att möjliggöra bestämning av mekaniska egenskaper

Summary

Det primära målet med studien är att utveckla ett protokoll för att förbereda konsekvent exemplar för noggrann mekanisk provning av höghållfast sampolymer aramid fibrer, genom att avlägsna en beläggning och särskilja enskilda fiber trådar utan att införa betydande kemisk eller fysikalisk nedbrytning.

Abstract

Traditionellt, mjuka skyddsvästar har gjorts från poly (p-att terephthalamide) (PPTA) och polyeten med ultrahög molekylvikt. Dock för att diversifiera fiber valen i marknaden i Förenta staterna kroppen rustning, sampolymer fibrer baserat på kombinationen av 5-amino – 2-(p– aminophenyl) bensimidazol (PBIA) och den mer konventionella PPTA infördes. Lite är känt angående dessa fibrer långsiktiga stabilitet, men som kondens polymerer, de förväntas ha potentiella känslighet för fukt och fukt. Därför är karaktärisera styrkan i de material och förståelse deras sårbarhet för miljöförhållanden viktigt för att utvärdera deras användning livstid i säkerhetstillämpningar. Ballistiska motstånd och andra kritiska strukturella egenskaper av dessa fibrer bygger på sin styrka. För att exakt bestämma styrkan i de enskilda fibrerna, är det nödvändigt att särskilja dem från garn utan att införa någon skada. Tre aramid-baserade sampolymer fibrer valdes ut för studien. Fibrerna var tvättade med aceton följt av metanol att ta bort en organisk beläggning som hålls de enskilda fibrerna i varje garn bunt ihop. Denna beläggning gör det svårt att separera enstaka fibrer från garn bunten för mekanisk provning utan att skada fibrerna och påverkar deras styrka. Efter tvättning, fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi utfördes på både tvättade och otvättade proverna och resultaten jämfördes. Detta experiment har visat att det finns inga betydande variationer i spektra av poly (p-att-bensimidazol-terephthalamide-co –p-att terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1) och PBIA-co-PPTA3 efter tvätt och endast en liten variation i intensitet för PBIA. Detta visar att de aceton och metanol sköljningar inte negativt påverkar fibrerna och orsakar kemisk nedbrytning. Dessutom var enda fiber tensile tester utförs på tvättade fibrerna att karakterisera deras inledande draghållfasthet och stam att misslyckas, och jämföra dem andra rapporterade värden. Iterativ processuella utveckling var nödvändigt att finna en framgångsrik metod för att utföra tensile tester på dessa fibrer.

Introduction

För närvarande är stort fokus i fältet av personskydd på att minska massan av kroppen rustning behövs för personligt skydd för brottsbekämpning och militära tillämpningar¹. Traditionella rustning mönster har förlitat sig på material som poly (p-att terephthalamide) (PPTA), även känd som aramid och polyeten att ge skydd mot ballistiska hot². Det finns dock ett intresse i att utforska olika hög styrka fibermaterial för deras potential att minska vikten på rustning som krävs för att stoppa ett specifikt ballistiska hot. Detta har lett till utforskning av alternativa material såsom aramid sampolymer fibrer. Dessa fibrer tillverkas genom en reaktion mellan [5-amino – 2-(p– aminophenyl) bensimidazol] (amidobenzimidazole, ABI) och p– fenylendiamin (p-PDA) med terephthaloyl klorid till formuläret poly (p– att-bensimidazol-terephthalamide-co –p-att terephthalamide). I denna studie undersöker vi tre olika fibrer, varav alla är kommersiellt producerade material som erhållits från en industri kontakt. En är en homopolymer fiber som görs av reagerande ABI med p-fenylendiamin till formuläret poly 5-amino – 2-(p– aminophenyl) bensimidazol eller PBIA. De andra två sampolymer fibrer undersöks i denna studie förväntas vara slumpmässiga sampolymerer med olika nyckeltal PBIA och PPTA kopplingar³. De relativa förhållandet mellan dessa kopplingar kunde inte fastställas experimentellt med hjälp av solid-state kärnmagnetisk resonans. Dessa fibrer betecknas som PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 att utvidga de beteckningar som används i en tidigare publikation⁴. PBIA-co-PPTA3 studerades inte tidigare, men har en liknande struktur. Dessa fiber-system har också varit i fokus för flera nyligen beviljade patent^5,6,7.

Överlägsen ballistiska motstånd av skyddsvästar bygger på de mekaniska egenskaperna hos de material som utgör det, såsom draghållfasthet och stam till misslyckande^8,9,10. Betydande insatser^11,12,13 har fokuserat på att undersöka den långsiktiga stabiliteten i polymera fibrer som används skyddsvästar genom att undersöka negativa förändringar i dessa mekaniska egenskaper efter exponering för miljöförhållanden. Effekten av miljöförhållandena på aramid sampolymer fibrer har inte varit föremål för en hel del forskning^3,4. En utmaning att studera dessa material är svårigheten att särskilja Garner för testning. Tidigare arbete av McDonough⁴ undersökt en teknik genom vilken vatten användes för att särskilja garn innan du utför enda fiber tensile tester. Det fanns dock ingen fullständig förståelse på huruvida den mekaniska styrkan hos fibrerna förändrades av detta vatten exponering. Ett alternativ till förgrymmat fibrerna är att testa den mekaniska styrkan av garn bunt, men detta kräver en stor mängd material och anses genomsnittliga styrkan av fibrerna i Garnet bunten, som ger mindre specifik information. Målet med detta projekt är att undersöka effekten av förhöjd luftfuktighet och temperatur på de mekaniska egenskaperna av aramid sampolymer fibrer. Därför är det viktigt att hitta ett alternativt lösningsmedel för borttagning av beläggning och fiber lösgörande som gör det möjligt för oss att skilja hydrolys i fibrerna på grund av de miljömässiga exponeringen från som induceras av provberedning. Utarbetandet av enstaka fibrer för testning kompliceras ytterligare av sin ringa storlek. I detta arbete, vi undersöka flera vanliga lösningsmedel (vatten, metanol och aceton) och välj aceton som det bästa valet för utarbetandet av enstaka fibrer för testning. Alla fibrer var sköljas med metanol innan ytterligare testning. Fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi utförs för att kontrollera om beläggningen upplösning och lösgörande steget orsakas någon kemisk nedbrytning i materialet. Protokollet detaljerad video visar provberedningssteg lösgörande, kemisk analys och mekanisk provning av sampolymer aramid fibrer är avsedd att hjälpa andra forskare utveckla metoder för att utföra liknande studier av enda fibrer i sina laboratorier.

Protocol

1. upplösning av beläggning på sampolymer fibrer på stöd i Fiber Separation Bär lämpligt valda kemikaliebeständiga handskar att förhindra kontaminering av fiber, skär 160 mm till 170 mm från varje garn bunt extraheras med keramisk sax eller en färsk stål rakblad. Reservera resten av Garnet om det behövs för vidare analys i märkta behållare. Knut eller klämma ändarna av Garnet att hålla garnet från trassel när nedsänkt i vätskan.Obs: För denna studie, lösningsmedel av omfa…

Representative Results

Sampolymer aramid fibrer studerat här är svåra att skilja från garn buntar i de enskilda fibrerna för testning. Fibrerna är intrasslad och belagda med bearbetning kemikalier som gör dem mycket svåra att särskilja utan att skada fibrerna. Figur 3 visar strukturella morfologi av fibrer inom ett garn. Även som en del av ett större paket visar fiber ytor omfattande strävhet och tårar som orsakas sannolikt av stark vidhäftning till angränsande fibre…

Discussion

Metoden beskrivs häri ger ett alternativa lösningsmedel-baserade protokoll för att avlägsna beläggningar från aramid sampolymer fibrer utan att använda vatten. Två tidigare studier^3,4 visade bevis för hydrolys i fibrerna i denna kemiska sammansättning, med exponering för vattenånga eller flytande vatten. Att undvika hydrolys under provberedningen är kritisk för nästa fas av experiment där dessa uppsättningar av fibrer kommer att undersökas för …

Materials

Stereo microscope	National	DC4-456H	Digital microscope
RSA-G2 Solids Analyzer	TA Instruments		Dynamic mechanical thermal analyzer used in transient tensile mode with Film Tension Clamp Accesory
Vertex 80	Bruker Optics		Fourier Transform Infrared spectrometer used to analyze results of washing protocol, equipped with mercury cadmium telluride (MCT) detector.
Durascope	Smiths Detection		Attenuated total reflectance accessory used to perform FTIR
Torque hex-end wrench	M.H.H. Engineering	Quickset Minor	Torque wrench
Methanol	J.T. Baker	9093-02	methanol solvent
Acetone	Fisher	A185-4	acetone solvent
Cyanoacrylate	Loctite		Super glue
FEI Helios 660 Dual Beam FIB/SEM	FEI Helios		Scanning electron microscope
Denton Desktop sputter coater			sputter coater
25 mm O.D. stainless steel washers with a 6.25 mm hole			25 mm O.D. stainless steel washers with a 6.25 mm hole
Silver behenate			Wide angle X-ray scattering (WAXS) standard
Xenocs Xeuss SAXS/WAXS small angle X-ray scattering system	Xenocs Xeuss		SAXS/WAXS small angle X-ray scattering system equipped with an X-ray video-rate imager for SAXS analysis with a minimum Q = 0.0045 Å-1, detector separate X-ray video-rate imager for WAXS analysis (up to about 45° 2θ) sample holder chamber.
Fit 2D software			Software to analyze WAXS data